Informe de fundición de metales

Fundición de Metales

1. REPÚBLICA BOLIVARIANA DE VENEZUELA .
MINISTERIO DEL PODER POPULAR PARA LA ED UCACION SUPERIOR.
INSTITUTO UNIVERSITARIO POLITÉCNICO “SANTIAGO MARIÑO”
EXTENSIÓN COL, SEDE CIUDAD OJEDA
PROCESO DE FABRICACIÓN I



Fundición de Metales



Profesor: Participante:
Ing. Jaime Zerpa Cruz Bermúdez
C.I: 11.947.861 46




Ciudad Ojeda 31-08-2017

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Introducción


La fundición es el procedimiento más antiguo para dar forma a los metales.
Fundamentalmente radica en fundir y colar metal líquido en un molde de la forma y
tamaño deseado para que allí solidifique. Generalmente este molde se hace en
arena, consolidado por un apisonado manual o mecánico alrededor de un modelo,
el cual se extrae antes de recibir el metal fundido. No hay limitaciones en el
tamaño de las piezas que puedan colarse, variando desde pequeñas piezas de
prótesis dental, con peso en gramos, hasta los grandes bastidores
de máquinas de varias toneladas. Este método, es el más adaptable para dar
forma a los metales y muchas piezas que son imposibles de fabricar por
otros procesos convencionales como la forja, laminación, soldadura, etc. El primer
acercamiento del hombre con metales en estado natural (oro, plata, cobre) se
estima que ocurrió hace 4000 - 7000 años a.n.e. Su verdadera acción como
fundidor el hombre la inicio posteriormente, cuando fue capaz de fundir el cobre a
partir del mineral. El desarrollo en la obtención de productos fundidos se
manifestó tanto en Europa como en Asia y África. Los romanos explotaron
yacimientos de hierro en Estiria (Australia) de donde obtenían el metal para
sus armas, instrumentos de trabajo y de uso doméstico. (A. Biedermann 1957).
Hoy en día los países desarrollados, al calor de la revolución científico-técnica
contemporánea, acometen las tareas de mecanización y automatización, la
implantación de nuevas tecnologías y el perfeccionamiento de las ya existentes.

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Fundición de Metales
La fundición es el proceso por medio del cual se fabrican de piezas metálicas, a
través del vertido de metal fundido sobre un molde hueco, este molde, suele ser
fabricado con arena. Se trata de un procedimiento sencillo: se funde el metal a
temperaturas considerablemente elevas. Luego de ello, se vacía en un molde, en
donde se lo debe dejar enfriar. El proceso más común es la fundición en arena,
por ser ésta un material refractario muy abundante en la naturaleza y que,
mezclada con arcilla, adquiere cohesión y moldeabilidad sin perder la
permeabilidad que posibilita evacuar los gases del molde al tiempo que se vierte el
metal fundido. Para la fundición con metales como el hierro o el plomo, que son
significativamente más pesados que el molde de arena, la caja de moldeo es a
menudo cubierta con una chapa gruesa para prevenir un problema conocido como
"flotación del molde", que ocurre cuando la presión del metal empuja la arena por
encima de la cavidad del molde, causando que el proceso no se lleve a cabo de
forma satisfactoria. También se conoce como fundición al proceso de extraer
metales a partir de sus menas, que suele ser la etapa previa al moldeado metálico.

Clases de fundición
Existen varios tipos de fundición, algunos de ellos son los siguientes:

1. Fundición gris: esta se lleva adelante en hierro. Lo que caracteriza a este
procedimiento es que la mayor parte del contenido es de carbono y
adquiere forma de escamas o láminas de grafito. Y son estas justamente las que
le dan al hierro su color y propiedades deseables, como pueden ser que
resultan fáciles de maquinar, tiene capacidad de templado y buena fluidez para el
colado. Pese a esto, las fundiciones grises son quebradizas y de baja resistencia
a la tracción. Se las suele usar bastante en aplicaciones como bases o pedestales
para máquinas, bastidores y bloques de cilindros para motores de vehículos,
discos de frenos, por poner algunos ejemplos.

2. Fundición nodular (dúctil o esferoidal): Se produce en hornos cubilotes, con
la fusión de arrabio y chatarra mezclados con coque y piedra caliza. La mayor
parte del contenido de carbono en el hierro nodular que tiene forma de esferoides.
Para producir la estructura nodular el hierro fundido que sale del horno se inocula
con materiales como magnesio o cerio. Esto produce cualidades deseables
como elevada ductilidad, además de buen maquinado, fluidez para la colada,
resistencia, así como también tenacidad. No puede ser tan dura como la fundición
blanca, salvo que sea sometida a un tratamiento térmico.

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3. Fundición maleable: se trata de hierros producidos a partir del tratamiento
térmico de la denominada fundición blanca, la cual es sometida a rígidos controles
que dan por resultado una microestructura en la que gran parte del carbono se
combina con cementita. La fundición blanca se usa en cuerpos moledores gracias
a su resistencia significativa al desgaste. Su veloz enfriamiento ayuda a evitar la
grafitización de la cementita aunque si se calienta la pieza colada a una
temperatura de 870°C, el grafito se forma adoptando una forma característica
denominada “carbono de revenido”, resultando la fundición maleable. La matriz de
la fundición puede ser ferrítica o perlítica si la aleación se enfría más rápidamente
a partir de los 723°C al final del tratamiento de maleabilización. Las fundiciones
maleables se usan en la producción maquinarias.

4. Fundición atruchada: En este caso, tiene una matriz de fundición blanca
combinada parcialmente con fundición gris. El carbono se encuentra libre y
combinado, siendo difícilmente maquinable.

5. Fundición aleada: contienen Ni, Cr, Mo, Cu, etc., en porcentajes suficientes
para mejorar las propiedades mecánicas de las fundiciones ordinarias o alguna
otra propiedad especial, como alta resistencia al desgaste, alta resistencia a
la corrosión, al calor etc. Ciertos elementos como el silicio, aluminio, níquel y
cobre, que se disuelven en la ferrita, la endurecen y la hacen incrementar su
resistencia. Son elementos que ayudan a la grafitización. Otros elementos como
pueden ser por ejemplo el cromo, manganeso y molibdeno son formadores de
carburos, resultan elementos que tienden a conformar fundición blanca en vez de
gris, y complican así la grafitización. De una forma general, se pueden clasificar
las fundiciones aleadas en dos grupos:

 Fundiciones de baja y media aleación: Que se caracterizan por tener
pequeñas cantidades de Ni, Cr, Mo, y Cu, generalmente en porcentajes
inferiores a 5%. Son fundiciones de alta resistencia a la tracción, de 25 a
50kg/mm
2
, muy superior a la de las fundiciones ordinarias. Estas en general
cuentan con una estructura perlitica, sorbítica, bainítica y martensítica.
También pertenecen a este grupo de fundiciones de baja aleación las
fundiciones con 1 a 2% de cromo resistente al calor y las fundiciones
martensíticas muy resistentes al desgaste.

 Fundiciones de alta resistencia a la tracción: Se observa una gran
variedad de fundiciones de composiciones muy diversas y resistencia a la
tracción, variables de 25 a 50 kg/mm
2
.A este grupo pertenecen ciertas
fundiciones al níquel, cromo, cromo-níquel, cobre, etcétera, evitando la
formación de láminas de grafito, aumentando la resistencia de la matriz.

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6. Fundiciones martensíticas: Esta variante se caracteriza por ser resistentes al
desgaste y en general se las usa para hacer de piezas que necesiten gran
resistencia o que exijan muy altas durezas o incluso en casos que deban sufrir
importante presión. En este caso se encuentran las siguientes variedades:

 Blancas al níquel: Contienen 4.5% de níquel, además de un 2% de cromo
y bajo silicio en un 0.50%, por lo que así logran con ellas durezas variables
de 500 a 700 Brinell. En América esta fundición se le conoce con la
denominación Ni-hard.

 Fundiciones martensíticas grises: Suelen conocerse bajo el nombre
de autotemplables como consecuencia de su dureza, que va de los 400 a
450 Brinell, que obtienen a partir de la colada sin ningún tratamiento. No
pueden ser mecanizadas con herramientas ordinarias.

7. Fundiciones aleadas al cromo: en este caso se identifican dos grupos, que
son los siguientes:

 Fundiciones con 6 a 25% de cromo : Se trata de fundiciones blancas y
cuentan con muy elevada dureza, que se ubica entre los 400 a 550 Brinell.
Sumado a esto, poseen una gran resistencia al desgaste, así como
también, al calor.
 Fundiciones de 33% de cromo: Se trata de estructuras ferríticas y tienen
excelente resistencia a la oxidación a temperaturas muy altas, cuando el
contenido en cromo es como mínimo equivalente a 10 veces el del carbono.
Sumado a ello, resistirán a la corrosión en aquellos casos en los que el
cromo es más de 15 veces el carbono.

8. Fundiciones aleadas con aluminio: Su uso es en estos días bastante poco
frecuente, porque su fabricación es complicada, ya que la proporción de aluminios
superiores al 6.5% hace que el grafito desaparezca en las fundiciones. Esta
estructura ferrítica al igual que las fundiciones al silicio, es muy inoxidable y
refractaria al calor. Dentro de estas variantes, las dos clases más importantes
son:

 Las fundiciones con 7% de aluminio que tienen una gran resistencia al
fuego. Estas fundiciones se usan en temperaturas que alcancen hasta
los 950 °C. Además de esto, se mecanizan bastante bien.

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 Las fundiciones con más de 8% de aluminio pueden usarse a
temperaturas de hasta 1000 °C. Además de ello, tienen excelente
resistencia a la oxidación y se caracterizan por ser difíciles de mecanizar.

Aplicación de las Fundiciones
Debido a sus propiedades, las fundiciones suelen utilizarse para la realización
de: Bloques Bancadas de máquinas, Herramientas, Soportes, Bloques de
motores, cuerpos de bomba, Ruedas de turbina, Polea para grúa, etc. Las
fundiciones no son buenas conductoras de la electricidad y el calor.

Arena de Moldeo
La arena de moldeo es un mineral que generalmente se encuentra en
proporciones superiores al 90% de las mezclas empleadas en la fabricación de los
moldes y almas para la fundición, es el material básico que emplea para
confeccionar los moldes y realizar la colada en ellas según los diversos tipos de
metales y aleaciones, debiendo ser refractario porque deben soportar altas
temperaturas muchas veces cerca de los 1700º C. También definimos como
arena de moldeo a la mezcla preparada en base a una arena generalmente de
sílice, aglutinante y agua, que se emplea en la fabricación de partes de un molde.
Todas las aleaciones de cobre pueden amoldarse exitosamente, en moldes de
arena.

Tipos y usos de Arena de Moldeo
1. Según el contenido de arcilla
- Mezcla Magra: 4-8% de arcilla, también llamadas arenas verdes. Se utilizan
en su estado natural de humedad y arcilla. Contiene la cantidad adecuada
de arcilla para ser utilizada en la elaboración de moldes.
- Semiarcillosas o semigrasas, 8-10%.
- Grasas: También llamadas arenas secas. Poseen más del 18% de arcilla.
Estos moldes que después de confeccionados se llevan a un proceso de
secado. Se utiliza mucho en piezas grandes. Se logra mayor exactitud
dimensional, mayor resistencia y cohesión de la arena y mayor
permeabilidad.

2. Según su origen
- Naturales: Arena que se utiliza tal como se encuentra en el yacimiento.
- Sintéticas: Se preparan artificialmente mezclando sílice pura con agua y
con aglutinante y/o aglomerante adecuado.

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3. Según se les haya empleado o no en el proceso
- Nueva: Es aquella que se va a emplear por primera vez en el proceso
- Vieja: Arena usada en coladas anteriores y es reutilizada.

4. Según su aplicación en el moldeo:
- De contacto: Son arenas preparadas con calidades especiales que se usan
para formar una pequeña capa sobre el modelo.
- De relleno: Son arenas viejas procedentes del desmoldeo que se utilizan
para complementar el llenado del molde a continuación de la arena de
contacto.

5. Según su utilización
- Para moldes
- Para machos

6. De acuerdo al tamaño de grano
Arena INDICE AF.S. TAMAÑO DE GRANO

Muy Grasa < a 18

entre 1 y 2 mm

Gruesa entre 18 y 35

entre 0.5 y 1 mm

Media entre 35 y 60

entre 0.25 y 0.5 mm

Fina entre 60 y 150

entre 0.12 y 0.25 mm

Finísima > 150 < 0.10 mm




Etapas del proceso de fundición
La posibilidad de fundir un metal o una aleación depende de su composición
(fijada por el intervalo de solidificación), temperatura de fusión y tensión superficial
del metal fundido. Todos estos factores determinan su fluidez. Se utilizan tres tipos
de fundición:

 En lingoteras: Se usa la fundición de primera fusión a la que se añaden los
elementos de aleación necesarios que posteriormente se depositan en
lingoteras de colada por gravedad o a presión.

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 Colada continua: En este tipo se eliminan las bolsas de aire y las
secreciones, tanto longitudinales como transversales. Mediante
este sistema se obtienen barras, perfiles, etc.
 Fundición en moldes: Se extraen las piezas completas.

Hay que destacar que el proceso de obtención de pieza por fundición pasa por
diferentes procesos los cuales son:

Preparación de mezcla
a) Moldeo
b) Fusión
c) Vertido
d) Desmolde ,limpieza, acabado

Cada uno de ellos dispondrá de su respectiva tecnología y se desarrollaran como
dos flujos de producción paralelos los cuales en determinado momento se unirán
para darle forma y terminación a la pieza como se demuestra en el
siguiente diagrama de flujo.

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Etapas de preparación del molde para el proceso de fundición
1. Construcción del molde para la fundición: Por tratarse de un proceso de molde
desechable, esta etapa debe realizarse en cada fundición. El molde de arena se
construye mediante el vertimiento y compactado de arena en cada mitad del
molde. La arena se compacta alrededor del modelo, que es una réplica de la
forma externa de la pieza de fundición. Cuando se retira el modelo, la cavidad
donde ser formará la pieza de fundición permanece. Cualquier característica de la
pieza de fundición que no pueda ser creada en el modelo se forma en núcleos
separados que se fabrican en arena antes de la creación del molde. El tiempo de
creación del molde incluye el posicionamiento del molde, la compactación de la
arena y la extracción del modelo. El tiempo de creación del molde depende del
tamaño de la pieza, la cantidad de núcleos y el tipo de molde de arena. Si el tipo
de molde requiere tiempo de calentamiento u horneado, el periodo de creación del
molde aumenta sustancialmente. Además, generalmente se aplica lubricación a
las superficies de la cavidad del molde para facilitar la extracción de la pieza de
fundición. El uso de lubricantes también mejora el flujo del metal y puede mejorar
el acabado de la superficie de la pieza de fundición. El lubricante utilizado se
selecciona con base en la temperatura de la arena y del metal fundido.
2. Sujeción: Una vez que el molde se ha creado, este se debe preparar para el
vertimiento del metal fundido. La superficie de la cavidad del molde se lubrica en
primer lugar para facilitar la extracción de la pieza de fundición. Luego se colocan
en su sitio los corazones, se unen las mitades del molde y se sujetan. Es
fundamental que las mitades del molde permanezcan firmemente cerradas para
evitar cualquier pérdida de material.
3. Vaciado: El metal fundido se mantiene en un horno a una temperatura
establecida. Después de sujetar el molde, se vacía en el molde el metal fundido
mediante un cucharón desde su recipiente de contención en el horno. El vaciado
se puede efectuar manualmente o mediante un mecanismo automático. Se debe
vaciar suficiente metal fundido hasta llenar la cavidad completa y todas las
canaletas del molde. El tiempo de llenado es muy corto a fin de prevenir la
solidificación prematura de alguna parte del metal.
4. Enfriamiento: El metal fundido que se ha vaciado en el molde empezará a
enfriarse y a solidificarse cuando penetre en la cavidad. Una vez que se llene la
cavidad y se solidifique el metal fundido, se tendrá la forma final de la pieza de
fundición. No se puede abrir el molde hasta que haya terminado el periodo de
enfriamiento. El periodo de enfriamiento ideal se puede calcular con base en el
espesor de la pared de la pieza de fundición y la temperatura del metal. Muchos
de los posibles defectos pueden ser consecuencia del proceso de solidificación. Si

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parte del metal fundido se enfría demasiado rápido, la pieza puede presentar
encogimiento, grietas o secciones incompletas. Se deben tomar medidas
preventivas en el diseño de la pieza y del molde.
5. Extracción: Después de transcurrido el tiempo predeterminado de solidificación,
el molde de arena puede simplemente romperse y extraer la pieza de fundición.
Esta etapa a veces conocida como sacudida o desmoldeo, se realiza
generalmente con una máquina vibradora que agita la arena y rompe el molde.
Después de su extracción, la pieza de fundición posiblemente tendrá algo de
arena y capas de óxido adheridas a la superficie. A veces se utiliza el granallado
para retirar los restos de arena, especialmente de superficies internas y para
reducir la rugosidad de la superficie.
6. Recorte: Durante el enfriamiento, el material en las canaletas del molde se
solidifica unido a la pieza. Este material sobrante debe recortarse de la pieza de
fundición bien sea de forma manual por medio del corte o aserrado o con la ayuda
de una prensa de corte. El tiempo necesario para recortar el material sobrante se
puede calcular por el tamaño de la cubierta de la pieza de fundición. Una pieza de
mayor tamaño necesitará un tiempo mayor de recorte. El material sobrante de este
recorte se puede desechar o volver a utilizar en el proceso de fundición en arena.
Sin embargo, el material de desecho puede requerir un reacondicionamiento de la
composición química antes de poder combinarlo con material no reciclado y volver
a utilizarlo.

Colada
La colada es el proceso que da forma a un objeto al hacer entrar material líquido
en un agujero o cavidad que se llama molde y se deja solidificar el líquido. Cuando
el material se solidifica en la cavidad retiene la forma deseada. Después, se retira
el molde y queda el objeto sólido conformado. El proceso de colado permite
obtener piezas con formas diversas y complejas en todo tipo de materiales.

Tipo de molde y sus características
a) Moldes temporales: Los recipientes con la forma deseada se conocen como
moldes, éstos se fabrican de diferentes materiales como: arena, yeso,
barro, metal, etc. Los moldes pueden servir una vez o varias. En el primer
caso se les conoce como moldes temporales y los que se pueden utilizan
varias veces, se les conoce como moldes permanentes.

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b) Modelos desechables y removibles: Los moldes se fabrican por medio de
modelos los que pueden ser de madera, plástico, cera, yeso, arena,
poliuretano, metal, etc. Si los modelos se destruyen al elaborar la pieza, se
dice que éstos son disponibles o desechables y si los modelos sirven para
varias fundiciones se les llama removibles.

c) Fundición en moldes de arena: Uno de los materiales más utilizados para la
fabricación de moldes temporales es la arena sílica o arena verde (por el
color cuando está húmeda). El procedimiento consiste en el recubrimiento
de un modelo con arena húmeda y dejar que seque hasta que
adquiera dureza. Fundición en moldes de capa seca. Es un procedimiento
muy parecido al de los moldes de arena verde, con excepción de que
alrededor del modelo (aproximadamente 10 mm) se coloca arena con un
compuesto que al secar hace más dura a la arena, este compuesto puede
ser almidón, linaza, agua de melaza, etc. El material que sirve para
endurecer puede ser aplicado por medio de un rociador y posteriormente
secado con una antorcha.

d) Fundición en moldes con arena seca: Estos moldes son hechos en su
totalidad con arena verde común, pero se mezcla un aditivo como el que se
utiliza en el moldeo anterior, el que endurece a la arena cuando se seca.
Los moldes deben ser cocidos en un horno para eliminar toda la humedad y
por lo regular se utilizan cajas de fundición, como las que se muestran más
adelante. Estos moldes tienen mayor resistencia a los golpes y soportan
bien las turbulencias del metal al colarse en el molde.

e) Fundición en moldes de arcilla: Los moldes de arcilla se construyen al nivel
de piso con ladrillos o con materiales cerámicos, son utilizados para la
fundición de piezas grandes y algunas veces son reforzados con cajas de
hierro. Estos moldes requieren mucho tiempo para su fabricación y no
son muy utilizados.

f) Fundición en moldes furánicos: Este proceso es bueno para la fabricación
de moldes o corazones de arena. Están fabricados con arena seca de
grano agudo mezclado con ácido fosfórico, el cual actúa como acelerador
en el endurecimiento, al agregarse a la mezcla una resina llamada furánica.
Con esta mezcla de ácido, arcilla y resina en dos horas el molde se
endurece lo suficiente para recibir el metal fundido.

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Tipos de patrones utilizados en la fundición de arena


(b) (c)
FIGURA 1. Tipos de patrones utilizados en la fundición en arena: a) modelo sólido, b) modelo dividido, c)
modelo con placa de acoplamiento

Pieza fundida con moldeo de arena

FIGURA 2. Fundición en arena para el cuerpo de un compresor con un peso de 680 Kg

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A continuación se muestra una serie de fotografías que describen el proceso de
fundición en molde de arena.


Lingotes de hierro dúctil Llenando un molde con arena Cerniendo y Comprimiendo Arena

Medio molde de arena Corazón de arena en medio molde Medio molde con corazón en su lugar

Ensamblando las mitades del molde Vaciando acero fundido Vaciado laminar

Llenando los moldes Inspección con Microscopio Vaciado con tratamiento de arena

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Conclusión


La fundición permite obtener fácil y económicamente piezas de diversas formas
y tamaños y utilizar de modo conveniente algunos metales y aleaciones cuyas
características particulares no los hacen aptos para la laminación, la forja o
la soldadura, por ejemplo el hierro colado. La fundición es por lo tanto,
una industria fundamental para la construcción de máquinas y exige una
amplia cultura profesional en el que se dedica a ella, pues requiere conocimientos
técnicos tan diversos como son el dibujo industrial, la mecánica de los cuerpos
sólidos y fluidos, la óptica, la termología, la electrotecnia, la química, etc. La arena
de moldeo es un mineral que generalmente se encuentra en proporciones
superiores al 90% de las mezclas empleadas en la fabricación de los moldes y
almas para la fundición, es el material básico que emplea para confeccionar los
moldes y realizar la colada en ellas según los diversos tipos de metales y
aleaciones. Si los moldes no pasan un buen control y no son hechos de manera
eficiente provocaran fugas y piezas defectuosas.